Наряду с водяными колесами широкое применение находили ветряные колеса. Задачи они выполняли различные, но чаще всего служили для привода в действие мельниц. Перед водяными колесами их преимущество заключалось в том, что место их расположения по понятным причинам менее связано с природными условиями. Недостатком же их являлось большое (в большинстве случаев) непостоянство скорости ветра, хотя реки (за редким исключением) тоже имеют существенные колебания стока воды, главным образом сезонные и годовые.
Одним из главных факторов технического прогресса рассматриваемого периода была паровая машина, представлявшая собой первый универсальный двигатель.
Известно, что попытки создать двигатель, работающий на водяном паре, использовать силу пара восходят еще к Архимеду, древнегреческому ученому Герону Александрийскому и Леонардо да Винчи. Но задача оказалась не такой простой, и универсальный паровой двигатель был создан и начал находить широкое применение только во второй половине XVIII в. До этого было сделано несколько более или менее удачных попыток.
Рис. 16. Схема машины Севери.
Одной из первых таких попыток была паровая машина, созданная в самом конце XVII в. английским инженером Томасом Севери (1650–1715), схема которой представлена на рис. 16. Назначением машины была откачка воды из шахт; она использовалась также на водокачках. Принцип ее работы следующий. При заполненном водой баке 2 открывался вентиль А, и водяной пар из котла 1 заполнял бак 2, выжимая находившуюся в нем воду через открывавшийся клапан С (при закрытом клапане В) в сосуд 4. Когда вся вода из бака 2 перетекала в сосуд 4, вентиль А закрывался, бак 2 снаружи охлаждался водой, так что в нем образовывалось давление гораздо ниже атмосферного. Как это видно из схемы машины, клапан С при этом закрывался, а клапан В открывался. Под воздействием атмосферного давления бак 2 заполнялся водой из сосуда 3, и цикл работы машины мог быть повторен. В результате вода из нижнего сосуда 3 (например, из шахты) поступала в верхний сосуд 4 (например, на поверхность). Однако практическое использование машина Севери получила очень небольшое.
Рис. 17. Схема машины Ньюкомена.
Значительно больший успех имела машина английского изобретателя Томаса Ньюкомена (1663–1729), схема которой приведена на рис. 17. Машина Ньюкомена действовала следующим образом. В положении, представленном на рисунке, поршень насоса 1 под действием собственной тяжести опускался в нижнее положение, переместив находившуюся в цилиндре насоса 1 воду в верхний сосуд 3. При этом клапан А был, конечно, открыт, а клапан В — закрыт. В это время рабочий цилиндр 5 был заполнен паром, поступавшим из парового котла 7. При этом вентиль D был открыт, а вентиль С — закрыт. Коромысло 4, как показано на рисунке, было наклонено влево. Вслед за этим в рабочий цилиндр 5 из сосуда 6 впрыскивалась холодная вода, пар в цилиндре 5 конденсировался, и давление становилось значительно ниже атмосферного. При этом во время впуска холодной воды из сосуда 6 в рабочий цилиндр 5 вентиль С был, естественно, открыт, а вентиль D — закрыт. Вследствие создавшегося в рабочем цилиндре 5 вакуума его поршень под действием атмосферного давления опускался вниз, коромысло 4 поворачивалось вправо, поршень насоса 3 поднимался вверх, его цилиндр при закрытом клапане А и открытом клапане В заполнялся водой из сосуда 2. Далее цикл машины повторялся. Результатом работы машины Ньюкомена, часто именовавшейся атмосферной, являлся подъем воды с более низкого уровня на более высокий.
Первая машина Ньюкомена была построена в 1705 г., но уже к 1770 г. на севере Англии, главным образом в Ньюкаслском угольном бассейне, действовало около 100 таких машин, а к 1780 г. на Корнуольских оловянных рудниках (юго-запад Англии) было не менее 70 машин. Машины Ньюкомена использовались также в других европейских странах, пока в последней четверти XVIII в. па смену им не пришла более совершенная машина — универсальный тепловой двигатель Уатта.
Необходимо, однако, сказать, что автором первого универсального двигателя, не нашедшего, к сожалению, практического применения, был русский изобретатель 14ван Иванович Ползунов (1728–1766). Он родился на Урале, в семье вышедшего из крестьян солдата. Окончил горнозаводскую школу в Екатеринбурге, работал на уральских заводах, а в 1762 г. был назначен на Барнаульский завод. Здесь Ползунов много занимался самообразованием, изучал труды Ломоносова, ознакомился с работами английских изобретателей Севери и Ньюкомена и французского физика Напена. Ползунов задался целью создать совершенный паровой двигатель. Он хотел, говоря его же словами, «сложением огненной машины водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно к заводам бывают потребны, носить и, по воле нашей, что будет потребно, исправлять». И далее: «Дабы сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб то во всенародную пользу, по причине большого познания о употреблении вещей, поныне не весьма знакомых (по примеру наук прочих), в обычай ввести»[230].
В 1763 г. Ползуновым были представлены записка, расчеты и проект первой в мире универсальной паровой машины мощностью 1,8 л. с. В отличие, например, от машины Ньюкомена, которая не могла непрерывно производить работу и использовалась поэтому для привода орудий прерывного действия (например, нососов для откачки воды из шахт), машина, предложенная Ползуновым в виде проекта, могла бы (будучи построенной) производить работу непрерывно, т. е. была спроектирована как универсальная.
В проекте своей машины Ползунов достигал непрерывности ее работы, т. е. универсальности, путем применения двух цилиндров, поршни которых поочередно передавали работу на общий вал. Впервые выдвинутый Ползуновым принцип сложения работы нескольких цилиндров на одном валу нашел в дальнейшем широкое применение, в том числе и для двигателей внутреннего сгорания, появившихся во второй половине XIX в. и затем получивших исключительно широкое распространение.
Ползуновым также было разработано специальное автоматическое устройство, производившее распределение пара и воды.
Как уже сказано, проект машины, представленный Ползуновым в 1763 г., реализован не был. В 1764 г. Ползунов вместе со своими товарищами начал работу по созданию силовой установки, предназначенной для подачи воздуха в металлургические печи. Описывать эту установку мы не будем[231], заметим только, что она была сооружена на Барнаульском заводе в 1765 г., было проведено успешное ее испытание, показавшее ее работоспособность, но после смерти Ползунова доводкой установки более не занимались.
Имя талантливого русского изобретателя И. И. Ползунова вошло в историю техники. Оно присвоено Свердловскому горно-металлургическому техникуму и Центральному научно-исследовательскому котлотурбинному институту в Ленинграде.
Английский изобретатель Джеймс Уатт (1736–1819) — создатель ряда конструкций паровых машин, в том числе универсальной паровой машины, имевших очень большое значение (до конца XIX в. паровая машина являлась практически единственным универсальным двигателем) для промышленности и транспорта. Уатт родился в г. Гренокле (Шотландия). Его деятельность началась в открытой им мастерской, в которой изготавливались и ремонтировались различные приборы. Он исследовал свойства воды и водяного пара, опытным путем определил зависимость между давлением и температурой насыщенного водяного пара, довольно хорошо отвечающую современным данным.
Так как наибольший спрос на паровые машины был в то время для использования их в качестве двигателей, приводящих в действие водяные насосы, особенно для откачки воды из шахт, то усилия Уатта были сначала направлены именно в эту сторону. Внимательно изучив машину Ньюкомена, попавшую в его мастерскую на ремонт, Уатт правильно (как это видно с позиций сегодняшнего дня) определил большой ее недостаток: вследствие впрыскивания воды для конденсации пара цилиндр машины периодически и существенно охлаждался, а при впуске в него новой порции пара из котла цилиндр снова необходимо было нагревать. Непроизводительно расходовалось много лишнего тепла, а значит, и топлива. Уатт сумел этот недостаток устранить.
